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1.3

56,,,,, :,, 1953,, 1953,1953,,1953,,,,,,,,, () ,30118, 34, ;,4912 %,5614 %, 1,1953, 1119, ,, , , 1111 (


38 張 元 素 歸 經 引 經 理 論 研 究 本 文 以 張 元 素 著 述 為 主 要 材 料, 采 用 上 海 涵 芬 樓 景 印 元 杜 思 敬 濟 生 拔 粹 刊 本 4 ; 醫 學 啟 源 為 任 應 秋 點 校 本, 任 本 以 明 成 化 八 年 刊 本 為 底 本, 旁 校 上

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References Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, J. R. Fores man, A. Frisch, Second Edition Gaussian, Inc. Molecular Modelling, A. R. Leach, Addison Wesley Long-man Limit ed, 1996. www.gaussian.com

Chapter One The Theoretical Background

1.1 Molecular Modelling (Computational Chemistry ) Molecular Modelling 1. Molecular Mechanics (MM ) 2. Molecular Dynamics (MD ) 3. Electronic Structure Theory ( ) Quantum Mechanics, QC & Semiempirical QC (Ab initio Methods) 4. Quantum Statistics ( )

1 2 3 (local minimum)

1.1.1 Molecular Mechanics Advantages Disadvantages

.1.2 Electronic Structure Theory a) Semi-empirical QC Methods HMO AM1 MNDO PM3 INDO/S b) Ab initio Hartree-Fock c) Density Functional Theory DFT/B3LYP DFT/X3LYP Gaussian MOPAC HyperChem

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1.2 Model Chemistry

1.2.1 [Gaussian98 ] PM3 HF B3LYP MP2 Hartree-Fock Becke 3 Moller-Plesset

1.2.2 Open shell Close shell :, (Restricted) R RHF, (Unrestricted) U HF UHF

1., 2. 3. 4.

1.3 Basis set LCAO-MO H 1s H 2s ψ ψ 3 ς exp( ς ) π 1s = r 5 ς r 3π 2s = r exp( ς )

Basis Sets Slater type orbitals (STO) Gaussian type orbitals (GTO) - functional form - zeroth-order Gaussian function r n n nl e r n r R ζ ζ + = 1 2 1/ 2 1/ )!] [(2 ) (2 ) ( 2 4 3 / 2 ), ( r s e r g α π α α = 2 ar c b a e z y x

Slater Gauss GTO STO STO STO GTO ( 3 6, STO-NG)

Property of Gaussian functions is that the product of two G aussians can be expressed as a single Gaussian, located alon g the line joining the centers of the two Gaussians 2 2 2 2 c mn n m n m n n m m ar r a a a a r a r a e e e e + =

STO VS. GTO

1.3.1 Minimal Basis Sets H He 1s Li Be C Ne 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz

1.3.2 Split Valence Basis Sets H He 1s, 1s' Li Be C 1s, 2s, 2s', 2Px, 2Py, 2Pz, 2Px', 2Py', 2Pz' 3-21G 6-31G 3-21G Gauss 2 Gauss 1 Gauss

1.3.3 Polarized Basis Sets (size) (shape) 6-31G(d) 6-31G* 6-31G(d,p) 6-31G** 6-31G(d) 6-31G d 6-31G(d,p) 6-31G(d) p

1.3.4 Diffuse Functions s p 6-31+G(d) 6-31G++(d) 6-31+G(d) 6-31G(d), 6-31++G(d)

1.3.5 High Angular Momentum Basis Sets 6-31G(2d) 6-31G d 6-311++G(3df,3pd) d f p d 6-311+G(3df,2df,p) d f, d f

1.3.6 Effective Core Potential Basis Sets (Effective Core Potential, ECP) LanL2DZ

STO-3G: [H-Xe] 3-21G:[H-Xe] 6-31G(d):[H-Cl] 6-31G(d,p):[H-Cl] 6-31+G(d):[H-Cl] 6-31+G(d,p):[H-Cl] 6-311+G(d,p):[H-Br] 6-311+G(2d,p):[H-Br] 6-311+G(2df,2p):[H-Br] 6-311++G(3df,2pd):[H-Br]

1.4 * (semi-empirical) * : Hartree-Fock SCF ( ): Moller-Plesset CI QCI * (DFT)

1.4.1 AM1 PM3 MNDO Gaussian MOPAC HyperChem Spartan * * HF DFT * *

1.4.2 HF AM1,PM3,HF/6-31+G(d) MP2/ 6-311++G(2d,2p) AM1 PM3 HF MP2 R(H-F) 0.83 0.94 0.92 0.92 R(H4-F2) 2.09 1.74 1.88 1.84 R(F-F) 2.87 2.65 2.79 2.76 A(F-H4-F) 159.3 159.8 168.3 170.6 A(H3-F-F) 143.8 143.1 117.7 111.8

1.4.3 Hartree-Fock Hartree-Fock Electron Correlation( ) Fermi( ) ---- Pauli Couloub( ) ----

Electron Correlation The most significant drawback to HF theory is that it fails to adequately represent electron correlation. E corr = E NR E HF Configuration Interactions - excited states are included in the description of an electronic state Many Body Perteubation Theroy - based upon Rayleigh-Schrödinger perturbation theroy.

1.4.4 Electron Correlation and Post-SCF Methods SCF Gaussian Moller-Plesset MP2, MP3, MP4, MP5 MP2 MP3, MP4( MP4SDQ) MP2 Quadratic CI QCISD, QCISD(T), QCISD(TQ),QCISD Coupled Cluster methods ( ) ( ) CCD, CCSD, CCSD(T)

HF HF/STO-3G 73.9 HF 97.9 MP2 144.9 MP3 137.9 MP4(SDTQ) 141.8 QCISD 138.8 QCISD(T) 140.6 141.2

1.4.5 Density Functional Theory Methods DFT - Gaussian B3LYP B3PW91

1.5

6-31+G(d,p) 6-311+G(d,p)

H, He STO-3G 3-21G 6d 6-31G* 6-31G** 6-31+G(d) 6-31+G(d,p) 6-311+G(d,p) 5d